拖曳電纜屏蔽層半絕緣導線打火故障診斷與機理研究*

趙林建，郭磊磊，洪有財

（杭州應用聲學研究所，杭州 310023）

0 引言

高壓傳輸電纜作為電力傳輸?shù)年P鍵設備，其工程應用研究一直是一個重要的課題[1-2]。電纜中的半導電金屬屏蔽層對于電纜的安全運行起著重要作用，是高壓交直流電纜的重要組成部分，起到消除電纜絕緣與導體/金屬屏蔽界面缺陷、均勻電場的作用[3]。金屬屏蔽層一般通過接地實現(xiàn)電纜本體的靜電屏蔽，同時流過電纜接地電流、短路電流等。同時為了防止高壓導線之間的由于摩擦等原因形成的靜電而產(chǎn)生局部放電作用，往往在導線之間也常常需要填充一些半絕緣層導線，以防止局部放電的發(fā)生。而電纜常見的故障有機械損傷、絕緣損傷、絕緣受潮、絕緣老化變質、過電壓，電纜過熱故障等[4]。其中關于機械損傷引起導線絕緣下降，并與屏蔽層之間短路所引發(fā)的故障的分析[5]，以及對屏蔽電纜轉移阻抗的變化的研究[6]文獻較多。但屏蔽層之間短路后導致屏蔽層帶電，在遠端屏蔽層不連續(xù)的位置，半絕緣層因一定的導電性且具有一定的阻值，形成電纜二次故障的位置，該位置具有一定的隱蔽性，在工程故障勘驗中往往出現(xiàn)盲點，不易被發(fā)現(xiàn)。

海洋拖曳電纜作為一種特種電纜，除了具有陸上高壓電纜的特點外，還需要起到承重、拖曳、信號監(jiān)測等作用，其結構復雜，既要滿足通信要求，又要保證電力傳輸供給，同時還起到類似鋼絲拖曳時承重作用，因此其設計和制造難度較大[7]。其承力結構通常使用在護套層外進行鋼絲鎧裝或者在纜內編織芳綸/凱夫拉增加材料，前者鋼絲鎧裝纜多用于拖曳重型設備，需要較高承力強度或者需要釋放到較大深度[8]，后者微重力纜多用于小型設備拖曳，類似聲吶線陣或科考測量設備[9]。本文中的拖曳設備為重型勘探設備，使用的是鋼絲鎧裝拖纜，且由于收放需要，無法在纜上安裝導流裝置。

隨著海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，水下設備功能越來越多，規(guī)模越來越大，對海洋拖纜的要求越來越高。其中大承載力、大負荷的拖纜使用越來越普遍，隨之由拖纜引發(fā)的故障也越來越突出。

1 故障現(xiàn)象及診斷

本文探討的典型鋼絲鎧裝拖纜應用于某石油勘測項目，使用拖纜低速拖曳大型勘探聲源設備，聲源設備需要大功率發(fā)射，傳輸高壓電。拖曳設備通過收放拖纜長度實現(xiàn)一定范圍的變深度。該石油勘探設備質量約15 t，鎧裝拖纜最外層為雙層鋼絲承受負荷，直徑約60 mm，內部共40根高壓導線（截面積12 mm2），承擔最大傳輸電壓3 000 V，允許最大電流20 A。供電方式為周期性脈沖電壓。其中絕緣護套材質為一種熱塑性彈性體，內部導線和絕緣護套、以及導線和導線之間均采用銅屏蔽帶進行屏蔽隔離，且導線之間有半絕緣導線來釋放內部靜電。拖纜截面如圖1所示。

圖1 拖纜截面示意圖

設備在某次使用過程中發(fā)現(xiàn)拖纜#5芯線對地絕緣極低，于是立即關閉#5芯線對應的某設備。繼續(xù)使用后，多路芯線對應的設備報警，故障擴大。于是進行故障勘驗，故障分別處于5 m和100 m處的位置。其中在距離濕端100 m處發(fā)現(xiàn)拖纜內部#5和#17芯線被屏蔽層刺穿，內部有少許碳化現(xiàn)象，而在距離濕端5 m處拖頭上端附近，外護套兩處燒穿點，內部一圈芯線嚴重打火燒焦碳化。

2 故障機理研究

拖纜使用狀態(tài)如圖2所示，拖曳負載為石油勘探設備，限位口在收放過程中打開，為石油勘探設備出入船體提供通道，并在入水后關閉，對拖纜起到低位約束（限位）支撐作用，減小拖纜在轉向裝置處的擺蕩，防止跳纜。其中100 m處拖纜故障點位于絞車位置，而5 m故障點位于拖纜與石油勘探設備的連接位置。

圖2 拖纜使用狀態(tài)示意圖

該拖纜的機械振動可分解為軸向振動、橫向振動以及扭轉振動。其中軸向振動主要由船舶升沉的牽連振動引起的；橫向振動主要由來流沖擊以及導流效果不良造成的渦激振動；扭轉振動是由于拖曳負載受海水不平衡作用力所帶來的牽連振動[10]。各種不同頻率、不同振幅的外部激勵共同形成一種極其復雜的振動環(huán)境。無論機械壓力還是機械振動共同對拖纜內部形成一種隨時間變化的綜合應力，這些綜合應力一定程度上影響了拖纜的內部結構。以下將分別對機械振動以及機械壓力對拖纜的影響進行說明。

對水下垂直拖曳系統(tǒng)拖頭部位受力分析可知，拖纜受到以下幾種作用力。

（1）水流沖擊作用力。由于勘探設備相對流速極重，在低速拖曳時鋼絲裸纜以接近垂直的姿態(tài)角向前運動，會出現(xiàn)典型的圓柱繞流現(xiàn)象及卡門渦街。如圖3所示，進行簡單CFD有限元仿真分析[11]，6節(jié)航速拖曳，來流正面沖擊拖纜，拖纜柱體上生成順流向及橫流向周期性變化的脈動壓力。由于拖纜為柔性體，該脈動壓力將會引起拖纜的周期性振動，這種規(guī)律性的振動反過來又會改變其尾渦發(fā)生形態(tài)，進而引發(fā)渦激振動，因此交變的流水作用下拖纜發(fā)生橫向受迫振動，如圖4所示。

圖3 單位長度拖纜水流沖擊載荷

圖4 拖纜受迫振動示意圖

（2）平臺升沉作用力。由于船的升沉作用，拖纜受到豎直向下的拉力，根據(jù)海上測試數(shù)據(jù)（圖5）可知，該力為周期性變化的拉力，因此該力同樣會導致拖纜發(fā)生豎直方向的受迫振動。

圖5 海上力傳感器某次實測數(shù)據(jù)

由圖2可知，拖纜連接拖頭，拖頭連接拖體，其中拖纜的剛度較小，而拖頭剛度遠大于拖纜剛度。根據(jù)振動理論，在受迫振動情況下，而拖纜上的波形向由中間向兩端傳播過程中，當波傳遞至拖頭根部時，遇到剛性極大的拖頭，波形振幅減小，頻率不變，因此能量在節(jié)點處絕大部分被反射沿原路返回，但仍有一部分容易被吸收[12]。因此拖頭附近的銅帶相對于中間的銅帶吸收較多的能量，根據(jù)疲勞損傷累積理論可知，當能量來不及耗散時，就會通過迫使材料晶界間發(fā)生錯位來吸收一定的能量，從而導致裂紋萌生。

對拖纜拖頭進行解剖，發(fā)現(xiàn)所有經(jīng)過一段時間使用的拖纜拖頭根部屏蔽層均發(fā)生很大程度的破碎，且導致屏蔽層不連續(xù)，而遠離拖頭部位的拖纜屏蔽層較完整，如圖6～7所示。

圖6 故障纜拖頭部位屏蔽層狀態(tài)

圖7 故障纜其他部位屏蔽層狀態(tài)

3 屏蔽層破碎位置等效電路模型

為了分析拖頭根部銅屏蔽層破碎引發(fā)的拖纜打火故障機理，該節(jié)將建立銅屏蔽層破碎前后的電路模型，更為直觀地分析銅屏蔽層破碎與否對電纜溫度分布的影響[13]。

（1）當銅屏蔽層保持完整時，拖纜剖面結構和等效電路圖如圖8所示。拖纜中部屏蔽層刺破故障導線后，導致A端的電流直接經(jīng)過屏蔽層流回大地（該電纜銅屏蔽層電阻率略小于導線，導線電阻率遠小于半絕緣導線），一般來說屏蔽層刺破位置存在一定的接觸電阻，相對電纜導線來說該處電阻較大，位置較集中，容易產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。因此在3 000 V、50 Hz的交變電壓作用下，該位置極易發(fā)生打火。結果最大的可能將導致局部嚴重擊穿。

圖8 銅屏蔽層完整時拖纜內部剖面結構及等效電路

（2）當銅屏蔽層將導線刺穿時，如圖9（a）所示，故障導線與大地導通，大地與A端及B端的電勢的關系滿足[14]：

式中：uAB為AB兩點之間的電勢差；φ地為大地的電勢；φA為A端電勢；φB為B端電勢；u地B為大地和B端之間的電勢差；uA地為A端與大地之間的電勢差。

uAB是0～3 000 V的交流電，因此u地B與uA地不能同時恒為0，且根據(jù)圖9（b）所示的電路關系，A端及B端必然和大地之間存在一定的交變的電勢差。當拖頭屏蔽層破碎后不連續(xù)時，電流從該位置的半絕緣層上流過，由于半絕緣層電阻遠大于接觸電阻和導線電阻，根據(jù)焦耳定律：P=I2R可知，該處相對發(fā)熱將較為嚴重[15]。

圖9 銅屏蔽層局部破碎時拖纜內部剖面結構及等效電路

當拖頭附近銅屏蔽層完整發(fā)生破碎時，即屏蔽層處于非連續(xù)的狀態(tài)下，屏蔽刺穿導線，電流先經(jīng)過該位置，然后會在破碎的屏蔽位置，流經(jīng)半絕緣導線，再流入大地。刺破點的接觸電阻相較于半絕緣導線的電阻小很多，根據(jù)焦耳定律，此時拖頭附近的屏蔽破碎位置最容易發(fā)生過熱故障，如圖10所示。

圖10 拖纜拖頭附近打火嚴重故障

綜合上述分析可知：（1）當拖頭附近銅屏蔽層完整未發(fā)生破碎時，即屏蔽層連續(xù)的狀態(tài)下，在屏蔽刺破點極易發(fā)生過熱故障；（2）當拖頭附近銅屏蔽層發(fā)生破碎時，即屏蔽層非連續(xù)的狀態(tài)下，在拖頭附近位置極易發(fā)生過熱故障。但根據(jù)實際拖頭解剖及理論分析可知該處屏蔽層發(fā)生了破碎，因此情形（2）是極易發(fā)生的。

4 試驗驗證

為驗證上文的理論共進行了兩類試驗。

（1）取5 m長該型號電纜，一端將銅屏蔽層刺穿導線，并根據(jù)電路等效原理，將原導線用電阻及電容進行等效，電纜狀態(tài)如圖11所示。將負載用等效阻抗的假負載代替，采用原供電電壓以及供電頻率，在加壓后，銅屏蔽刺破位置發(fā)生過熱冒煙起火現(xiàn)象，其他位置未出現(xiàn)異常。

圖11 打火前電纜狀態(tài)

（2）再次取5 m長該型號的電纜，按照（1）中對電路進行搭建，一端將銅屏蔽層刺穿導線，并將中間屏蔽層去除。開啟控制開關，中間被去除的銅屏蔽層位置很快發(fā)生打火故障，即拖纜中間位置發(fā)生打火，被撕裂的半絕緣層發(fā)生過熱起火，從打火結果上來看，與拖頭附近故障無差異。如圖12所示。

圖12 故障復現(xiàn)實物

5 結束語

經(jīng)過對拖纜故障現(xiàn)象、使用歷程、故障機理等的分析，并經(jīng)試驗驗證，該型故障的原因已明確，是拖纜表面破損使屏蔽層短路帶電，進而導致不相鄰的遠端屏蔽層碎片化較嚴重的地方（拖頭附近）發(fā)熱量急劇增大，致使芯線絕緣層變軟，進而導致芯線絕緣層被銅帶扎破，引發(fā)芯線二次打火故障。該故障屬于拖纜屏蔽結構、渦激振動、受迫振動及纜表皮偶發(fā)破損等多重因素疊加下的結果。在類似重型拖曳使用工況下，應加強導流設計和減隔震設計，減小渦激振動，并在后續(xù)拖纜使用中，加強對屏蔽層與芯線絕緣檢查，對屏蔽層帶電情況的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并避免類似故障。